（车辆工程专业论文）汽车esp液压集成控制单元的建模仿真与特性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 川l i | i | | i i i | | | i l | i i i i i 川i l | | | 舢 y 17 613 7 3 本人声明所早交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南人学或其它教育机构的学位或证 5 而使用过的材料。与我一同：j 二作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童雌日期：j 堑生蔓岫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑叁墨叁奎导师签名腓止! 摘要 汽车e s p 液压集成控制单元的建模仿真与特性研究 硕士研究生：张效宇 导师：陈南 ( 东南人学) 摘要 汽车的操纵稳定性不仅关系到驾驶员驾驶时的操纵轻便程度，而且也是保证汽车安全行 驶的一个重要指标，汽车主动安全控制技术e s p ，其基本的控制思想是通过调节车轮纵向力与 横向力的大小，使得车辆在转向或受侧风时具有良好的操纵性和稳定性 e s p 系统主要包括传感器、电子控制单元e c u 、液压执行器及制动轮缸等，本文通过对汽 车e s p 的关键部件液压集成控制单元进行建模仿真，对其进行深入剖析，分析研究其内部 的机理及各个部件对液压系统整体性能的影响，通过a m e s i m 对e s p 液压集成控制单元各部件进 行建模仿真，优化其关键部件的性能参数，并结合八自由度车辆模型，利用m a t l a b 、a m e s i m 的联合仿真技术，搭建整车e s p 制动控制系统，对e s p 液压集成控制系统及汽车操纵稳定性进 行了深入研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 分析并搭建了经典的汽车e s p 液压集成控制系统模型，对液压集成控制单元的关键 参数进行了剖析，分析了其对e s p 液压系统动态特性的影响，为汽车e s p 液压集成控制单 元的优化设计提供了一定参考与理论依据。 ( 2 ) 根据不同车辆对进入轮缸制动液流量的要求，深入分析了汽车e s p 液压集成控制单 元的设计参数与不同流量特性之间的关系，寻求整车液压制动系统的最优化匹配设计，模 拟了反比例阀在汽车e s p 液压集成控制单元中的应用，实现更优的性能。 ( 3 ) 结合m a t l a b 搭建含横摆、侧倾的八自由度整车模型，结合模糊控制等经典控制算 法，以横摆角速度和质心侧偏角为控制变量来实现对汽车e s p 的模糊控制研究，研究表明 所设计的控制器能有效提高汽车的行驶稳定性。 ( 4 ) 利用m a t l a b 与a m e s i m 在控制算法实现及液压建模能力等方面的独到优势分别搭建 了整车操纵稳定性模糊控制系统及e s p 液压集成控制系统，利用两软件的联合仿真，为e s p 的液压集成控制系统及整车稳定性控制研究提供了一个良好的平台，联合仿真结果表明所 设计的控制器及液压集成块参数较好的实现了对汽车整车操纵稳定性的控制。 关键词：e s p 液压集成块动态响应a m e s i m模糊稳定性 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fa u t o m o b 订ee s ph y d r a u l i ci n t e g r a t e d s y s t e ma n di t sc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c h c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h a n gx i a o y u a d 啊s e r ：c h e nn a n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i 劝 a b s t r a c t v e h i c l e sh a n d l i n ga 1 1 ds t a b i l i t yi sn o to n l yr e l a t e dt ot h es t e 舒n gc o n v e n i e n c e ，b u ta l s oa j l i m p o r t a l l ti n d e xt og u a r a j l t e et h es a f e t yo fv e h i c l e a san e wt e c l l i l o l o g y ，e s p ( e l e c 证cs t a b i l i t y p r o 黟锄) ，w h i c hi su s u a l l yc o m p o s e do fs e n s o r ，e c u ，h y d r a u l i ca c t u a t o ra n dw r h e e lc y l i n d e r ，c a i l m a k em ea l l t o m o b i l eh a sag o o ds t e e r i n gp e r f i o m l a n c ea n ds ta _ b i l i t yw h e ni ti si n f l u e n c e db yt 1 1 e l a t e r a lw i n da tah i g hs p e e d a so n ep a r to fe s ps y s t e l n ，h y d r a u l i ca c t u a t o rh a sa ni m p o n a n te f f e c to nt h ew h 0 1 e p e r f o 咖a n c eo fe s p ，t 0s t u d yt h ei 衄e rp r i n c i p a lo fh y d r a u l i ca c t u a t o ra n dm er e l a t i o n s h i p b e 帆e e ne s ph y d r a u l i ca c t u a t o r sm e c h a l l i c a lp a r a m e t e r sa n di t sr e s p o n s ed l a r a c t 舐s t i c ，ac l a s s i c m o d e lo fa u t o m o b i l ee s ph y d r a u l i cs y s t e mi sb u i l ta n dt h e na n8 d o fv e h i c l ed ! y 1 1 锄i cm o d e li s e s t a b l i s h e da sw e u b a s e do nt h ec o s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fa i e s i ma i l dm a t l a b ，i n t e 擘，a t e d v e h i c l e ss t a b i l i t yi ss t l l d i e dw i t l l 如z z yl o g i cc o n t r o l i nd i f f ；e r e n tc o n d i t i o n s ，t h er e s u l t ss h o wm a t m ed e s i g 皿e ds y s t e l nc a ng r e a t l yi m p r o v et h ev e h i c l es t a b i l i t va n dr e a c h e sad e s i r e de f f e c te v e ni f t h ev e h i c l ei ss t e e r e di nal i m i t e dc o n d i t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o no f 恤s p 印e ra r e 硒f 0 1 l o w s ： ( 1 ) ac l a s s i ca u t o m o b i l ee s ph y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，k e yp a r 锄e t e r sw h i c hh a v e i n n u e n c et ot l l ee s ph y d r a u l i cd y l l 锄i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d ，“sp r o v i d e sm e b a s i sm e o 巧a i l dr e 向锄c ef ；wm e0 p t i m i z a t i o nd e s i 盟o fe s p h y d r a u l i ca 曲j a t o r ( 2 ) d u et ot h a td i 伍e r e n tv e h i c l e sh a v ed i 行旨e n tr e q u i r e m e n t s 南rt h en o wr a t eo fb r a l ( i n gn u i d ， t h er e l a t i o n s h i pb e 铆e c l lm ed e s i 盟p a r a m e t e r so fe s ph y d r a u l i ca c m a t o ra n di t sn o wr a t e c h a r a c t e r i s t i c si sd i s c u s s e d a l s om ea p p l i c a t i o no fi n v e r s ep r o p o r t i o nv a l v ei nt l l ea u t o m o b i l e e s ps y s t e mi s s i m u l a t e d ；i ts h o w sm a tt l l ei n v e r s ep r o p o n i o nv a l v ea c h i e v e sab 甜e r p e r f b m a n c em a i lm eo n o f fv a l v ed o e s ( 3 ) a n8 d o fv e h i c l em o d e lw i t hy a wa i l dr o ni sb u i l ti nm a t la b s i m u l i l l l ( i nm ep a p e r ，向z z ) ， l o 西cc o n 仃o lm e t i l o di sp r o p o s e dt 0i m p r o v ev e h i c l ed y n 锄i cs ta _ b i l i t ) ，b ym ei n t e 蓼a t e d c 0 曲的lo fy a wm o m e n t 锄dt l l es i d es l i p 柚百e ，r e s u l t ss h o wn l a tt h ed e s i 印e dc o n 仃d l l e rc 雒 黟e a t l yi m p r o v et h ev e h i c l es t a b i l 埘e v i ft l l ev e l l i c l ei ss t e e r e da t 孤u t m o s ts p e e d ( 4 ) b ym a t l a ba i l da m e s i m se x c e l l e i l tc a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n g 锄dh y d r a u l i cm o d e l i n g ，t h e i n t e 母a t e dv d l i c l em o d e lw i t l l 如z z yl o 西cc o n t r o la 1 1 de s ph y d r a u l i ca c t u a t c ra r ed e v e l o p e d ， r e s p e c t i v e l y t h es o r w a r em a t l a ba i l da m e s i mc o u l db ec o n l b i n o df o rs i l u l a t i o n ，i t p r o v i d e sa ne x c e l l e n tp l a t f o n nf o rm er e s e a r d lo fe s ph y d r a 【u l i cs y s t a ：na n dv e m c l e ss t a b i l i t y c o n 协0 1 t h er e s u l to fc o s i m u l a t i o ni n d i c a t e sm a tm ed e s i g n e dc o n 协0 1 1 e ra 1 1 dh y d r 踟l i c i i l t e 擘，a t e db l o c k sp 硼? 锄e t e r sh a v ei d e a u yr e a l i z e dt t l ec o m r o lo fv e h i c l e ss t a b i l i t y k e y w o r d s ：e s p ，h y d r a u l i ca c t u a t o r d y i l 锄i cr e s p o n s e ，a m e s i m ，f u z z yl o 舀c ，s t a b i l i t y i i 目录 目录 摘要i b s t r a c t 一i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 汽车a b s 到e s p 的发展过程一l 1 2 1a b s 的发展历史及其一l 作原理一1 1 2 2 汽车a s r 的发展过程及：i ：作原理3 1 3e s p 的工作原理及研究现状5 1 4 本论文的主要研究内容及其意义6 1 4 1 本论文主要研究内容6 1 4 2 本论文的主要创新点及其研究意义7 第二章基于a m e s i m 的汽车e s p 液压集成系统建模8 2 1a m e si m 软件介绍8 2 2 典型汽车e s p 液压集成控制单元一9 2 3 关键模块的数学模型分析1 0 2 4 基于a m e s i m 的汽车e s p 液压系统的建模1 3 2 5 本章小结1 5 第三章e s p 液压控制系统的特性研究1 6 3 1 流体力学理论基础1 6 3 2e s p 液压系统特性的动态响应分析19 3 3 不同流量特性的参数分析及响应比较2 0 3 4 反比例阀的应用特性研究2 5 3 5 本章小结2 8 第四章基于整车模型的汽车e s p 系统稳定性控制研究2 9 4 1 汽车动力学模型的建立2 9 4 1 1 八自由度整车模型2 9 4 1 2 轮胎模型3 l 4 1 3 二自由度车辆模型3 2 4 1 4 汽车制动系统3 3 4 2 模糊控制理论。3 4 i l i 目录 4 2 1 模糊控制推理方法3 5 4 2 2 基于m a t l a b 的模糊控制器的实现3 7 4 3e s p 整车控制系统模型的建立及其控制策略3 7 4 4 仿真结果分析3 9 4 5 本章小结4 2 第五章基于联合仿真环境的汽车e s p 稳定性控制研究4 3 5 1 联合仿真环境的建立一4 3 5 2 单轮模型系统的汽车滑移率控制4 3 5 3 联合仿真环境下的汽车整乍模型的建立4 6 5 4 联合仿真结果分析。4 8 5 4 1 高附着路面，正弦激励的联合仿真一4 8 5 4 2 压实雪地，正弦激励的联合仿真4 9 5 5 本章小结5 0 第六章总结与展望5 1 6 1 总结。5l 6 2 展望5l 致谢5 3 参考文献5 4 作者简介5 6 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 科学技术的飞速发展带动了汽车工业的不断壮大，从汽车的人均拥有量来看，汽车在现 代交通系统中发挥越来越重要的作用，公安部最新数据统计显示，截至2 0 0 9 年8 月底，我国 机动车保有量己超过1 8 亿辆。众所周知，汽车是一个集机、电、液于一体的运行于多学科 的复杂机械产品，尽管很多人对汽车的动力学特性会有一个直观的、简单的理解，却很少有 人能够真正从定性、定量的角度指出哪些物理参数会对汽车的操纵稳定性特性有着怎样的影 响。 汽车的增多一方面为人们的生活增加了很多便利，另一方面也给交通安全带来越来越多 的隐患，事实上自人类发明汽车开始，安全问题就已伴随产生，从全球来看，我国是世界上 交通事故多发的国家之一，严峻的现实使人们不得不对汽车的安全性提出更高的要求，如今 汽车的安全技术已成为汽车工业的热点问题，如何提高汽车的安全性从而保证社会平稳和谐 的发展成为各国汽车工程师最为关心的话题。 一般来说，汽车的安全性主要分成主动安全和被动安全两个方面，主动安全主要从预防 的角度入手，通过有效的控制，降低汽车因失控而引发交通事故的概率；被动安全则主要着 手于事故发生后，如何对驾驶员进行有效的保护等方面的研究，如提高汽车的防碰撞能力、 增设安全气囊等。 为满足人们对汽车安全要求的需求，越来越多的先进技术已被应用在汽车的主动安全控 制上，目前市场上常见的主动安全控制主要包括瞳引：1 视觉增强系统，该系统主要是防止雨 雾天气时，驾驶员因风挡玻璃上的雾气而看不清车外的情况进而引发事故，装上视觉增强系 统后，系统能迅速去除玻璃上的雾气从而使得驾驶员能够不受干扰的观察路面情况；2 安全 距离预警示系统，该系统通过传感器检测前方车辆与驾驶员自身车辆之间的距离，当系统检 测到的距离值低于驾驶员本身设定的值时，系统会发出提示，提醒驾驶员注意车速，特殊情 况时还会帮助驾驶员主动制动减速；3 偏离行驶路线警报系统，该系统通过自动识别路面中 间的白线以保证车辆沿着道路轨迹的方向正确行使。4 制动防抱死系统a b s ；5 电子制动 力分配e b d 系统，该系统通过调整车轮有效的地面抓地力，可防止车辆出现甩尾或侧滑从而 保证了车辆的平稳和安全；6 驱动防滑系统a s r ，该系统主要由传感器、电子控制器及制动 压力调节器等三大部分组成，通过e c u 对汽车驱动车轮滑移率的控制，最佳程度的调整分配 刹车力以保证车辆的稳定操纵性；7 电子稳定性控制程序e s p ，e s p 系统是a b s 、a s r 两种系 统功能的延伸，它能主动探测并判断车辆的当前状态，通过调整车轮的制动力来改变车身状 态，做到防忠于未然。e s p 控制系统功能显著，目前已被越来越多的应用在一些中高档轿车 e 。 1 2 汽车a b s 到e s p 的发展过程 1 2 1a b s 的发展历史及其工作原理 a b s 装置最早应用于飞机、铁路机车，在汽车上的应用相对较晚，1 9 5 4 年美国福特公司 首次将法国生产的民航机用a b s 应用在它的林肯牌轿车上，这次试装虽然以失败而告终，却 解开了人类在汽车上应用a b s 装置的序幕。此后，在1 9 5 7 年，福特公司与k e l s e yh a y c s 公司 联合开发了车用a b s ，但直至1 9 6 8 年才达到其预期目的。同一时期，美国政府开始倡导在国 东南大学硕上学位论文 产汽车、载货车上安装a b s 并鼓励开发a b s ，之后k e l s e yh a y e s 公司、b e n d i x 公司、t r w 公 司相继对a b s 的研发表现出浓厚的兴趣，这些都为a b s 的发展奠定了一定的基础n 1 。 a b s 通常由车速传感器、电子控制单元e c u 、执行机构( 制动压力调节器) 等组成，制动 压力调节装置装有电磁阀，e c u 通过所采集的轮速信号进行处理计算并向开关阀发出控制指 令，最终通过电磁阀的通断电来达到系统对轮子制动力大小的调节作用1 5 。 汽车理论指出汽车在制动的过程中，胎面留在地面上的印痕从车轮滚动到车轮被抱死拖 滑是一个逐渐变化的过程，该印痕上可分为三个状态：1 纯滚动状态，此时轮胎印痕的形状 与轮胎胎面的花纹基本一致。2 边滚边滑状态，此时从路面的印痕可以辨认出轮胎花纹，但 花纹逐渐模糊。3 纯滑动状态，此时车轮被制动器完全抱死，路面上形成一条粗黑的印痕3 。 a b s 在制动过程中可防止车轮被制动抱死，是可以提高汽车的转向操纵能力和方向稳定性 的装置，研究表明汽车在制动时有纵向附着力和横向附着力，纵向附着力决定了汽车的纵向 运动，主要影响汽车的制动距离，而横向附着力则影响汽车的横向侧滑，汽车匀速行驶时， 实际车速v 与车轮速度相等，车轮在路面上做纯滚动运动，当驾驶员踩下制动踏板，由于地 面制动力的影响，车轮速度变小，实际车速与车轮速度不再相等，车轮处在既滚动又滑动的 状态，人们将车速与轮速之间存在的这种速度差异称为滑移现象。滑移的程度可用滑移率来 表示h j 【7 。，即： 1 ，一国， s = l o o 1 ， 式中s 表示车轮滑移率，y 为车速( m s ) ，为车轮半径( m ) ：缈为车轮滚动角速度( r a d s ) ： 图卜1 制动时车速与轮速的关系 由上述公式可以看出，当车速等于轮速时，滑移率s = o ，此时，车轮无相对滑动，轮子 处于纯滚动状态。汽车制动时，车速与轮速的差别越大，滑移率越大。若停车之前轮子抱死， 滑移率将达到1 0 0 。 车轮滑移率在实际工况中受很多因素影响，常见的影响包括：汽车的载客人数或载物量， 制动力大小及其增长率，汽车前、后轴的载荷分布情况，道路路面种类及状况，轮胎的类别 及其与道路的附着情况等。 在制动过程中，车轮抱死滑移的根本原因是由于制动器的制动力大于轮胎与路面的附着 力，当车轮快抱死时，轮胎的横向附着系数几乎为零，汽车将失去方向稳定性。前轮先抱死 时可能出现方向失控现象，后轮先抱死时可能出现甩尾现象。a b s 控制时将车轮的滑移率控 制在最大附着系数所对应的滑移率范围之内以便获得最大地面制动力，缩短停车距离，同时 2 第一章绪论 也保证了车轮的侧向附着系数达到较大的数值，从而使得汽车可获得转向和防止侧滑时所需 的最大侧向附着力，进而达到最佳的制动效果。研究指出，滑移率s 在1 5 2 5 时，轮胎与 地面之间的附着系数出现最大值，此时车轮处在有少量滑动却又没抱死的状态，车轮获得 最佳制动效果旧1 。 下图为典型的四传感器、四通道式a b s 布置方式，该种布置方式可对汽车的每一轮子进 行独立控制。此外a b s 的布置形式还有四传感器三通道、三传感器三通道、四传感器两通道 等其它布置方式。 图卜2 典型的汽车a b s 四传感器、四通道布置形式阳1 1 2 2 汽车a s r 的发展过程及工作原理 随着人们对汽车性能要求的不断提高，a b s 系统的功能得到了不断的完善与扩展，人们 要求汽车在制动过程中不仅要能防止车轮抱死，而且要求其在驱动过程中特别是在车辆刚起 步、转弯或加速等过程中要能防止车轮发生滑转，这就促进了汽车在驱动过程中的方向稳定 性、转向操纵能力以及加速性能等都得到了很大程度的提高。 1 a s r 系统 a s r ( a c c e l e r a t i o ns 1 i pr e g u l a t i o n ) 就是用于在驱动过程中防止车轮发生滑转的控制 系统，有些厂商或公司也将其称做t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 博世公司在1 9 8 6 年率先 推出了具有驱动防滑功能和制动防抱死功能的防滑控制系统a b s a s r2 u ，并将其成功安装在 奔驰轿车上。防滑控制系统极大的提高了汽车的主动安全控制性能，曾被认为是汽车主动安 全性所取得的最为重要的技术n 们。 a s r 从某种程度上来说实际上就是a b s 的升级版，其传感器主要是轮速传感器和节气门 位置传感器，轮速传感器通常与a b s 系统共用，而节气门位置传感器则与发动机电控燃油喷 射系统共用。当汽车加速时，a s r 将滑移率控制在一定的范围内，从而防止汽车驱动车轮加 速打滑，a s r 主要有两个功能，一是提高牵引力，二是保持汽车行驶时的稳定性。目前在汽 车a s r 中常通过控制节气门开度和点火提前角的方式实现对发动机输出扭矩的调节，从而调 节作用于驱动轮的驱动力矩1 2 1 。 防滑控制系统对汽车行驶性能的影响主要有以下几个方面：a ) 提高行驶的方向稳定性； b ) 保持转向操纵能力；c ) 提高加速性能和爬坡能力；d ) 缩短制动距离。 2 、a s r 系统与a b s 系统的比较n 2 1 a s r 和a b s 都是通过控制车轮与路面的滑移率在设定的理想范围之内，以使车轮与地面的 3 奎堕厶堂塑主堂丝迨塞 附着力不下降，从而缩短汽车的制动距离或提高汽车的加速性能，改善汽车的转向操纵能力 和行驶的方向稳定性，因此两系统所采用的技术密切相关并常被结合在一起使用以便两系统 共享许多电子组件和共同的系统部件从而完成对汽车车轮运动的控制，构成行驶汽车安全系 统。 a s r 和a b s 都要求系统具有快速反应能力，以适应车轮附着力的瞬时变化，此外还要求系 统的控制偏差尽可能的小，以免引起汽车及传动系统的振动。 a s r 系统与a b s 系统的不同主要在于： ( 1 ) a s r 系统( t c s ) 是防止驱动车轮原地不动而不停的滑转，故其只对驱动轮进行控制， a s r 可以提高汽车起步、加速及滑溜路面行驶时的牵引力，确保了汽车行驶时的稳定性；a b s 系统则是防止车轮制动时被抱死而发生滑移，对驱动和非驱动车轮都可进行控制，a b s 提高 了汽车的制动效果从而确保了汽车制动时的安全性。 ( 2 ) 在a s r 控制期间，离合器常处于结合状态，因此发动机的惯性会对其控制产生较大 的影响，而a b s 控制期间，离合器常处于分离状态，发动机也处于怠速运转。 ( 3 ) a s r 系统在车轮出现滑转时起作用，当车速很高( 8 0 1 2 0k m h ) 时将失效。a b s 系统则是在车轮制动出现抱死的情况下起控制作用，当车速很低( 通常小于8 k m h 时) 将不 起作用。 实际应用中，人们常将a b s a s r 集成在一起，共同实现对车轮的制动，以达到最佳制动 效果，从而更好的实现对车辆稳定性的控制。 图卜3 狰1 所示为一种较为典型的具有制动防抱死和驱动防滑功能的a b s a s r 组合式防滑控 制系统。 图卜3a b s a s r 组合式防滑控制系统 当a s r 不起作用时，电磁阀i 不通电，此时a b s 起制动作用，系统通过电磁阀i i 和电磁 阀i i i 来实现对轮缸制动压力的调节。当驱动轮滑转时，a s r 控制器便向电磁阀i 发出控制信 4 第一章绪论 号使其通电，阀i 移至右位，电磁阀l i 和电磁阀i i i 仍不通电，即阀仍处于左位，这样蓄压器 中的压力油便可进通入驱动轮制动泵，从而增大轮缸的制动压力。 需要减压时，a s r 控制器发出控制信号使电磁阀i i 和电磁阀i i i 通电，阀移至右位，这样 驱动车轮制动分泵与储液室的通道便会接通，制动压力下降。 a s r 对驱动轮制动压力保压时，控制器发出信号，使电磁阀i 处于中位从而隔断蓄压器与 制动总泵问的油液回路，这样就可使得驱动轮制动分泵的压力保持不变。 1 3e s p 的工作原理及研究现状 汽车电子稳定控制程序e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o 黟锄) 是德国博世公司的发明专利和 专用注册商标，它是汽车a b s 和a s r 两种系统功能的进一步延伸。其他一些知名的汽车公司 也开发了与其类似的系统，它们采用与其不同的称谓但其基本原理以及所起的作用与e s p 是 一样的。比如丰阳、雷克萨斯称其为v s c ，瑞典沃尔沃公司叫做d s t c ，而德国宝马则称其为 d s c 等3 。 博世公司于1 9 7 8 年开始开发汽车a b s ，1 9 8 6 年公司率先推出t c s ，至1 9 9 5 年公司又率 先在全球研发出e s p ，生产e s p 5 系列。博世2 0 0 2 年开始生产e s p 8 系列并升级至今天的e s p 至尊版，e s p 9 系列将于2 0 1 1 年生产。e s p 至尊版目前是e s p 和e s p 8 升级版基础上开发出来 的最高阶段产品，它兼顾了汽车的安全性与舒适性，在动态行驶中尤为突出。e s p 9 将在e s p 至尊版的基础上进一步减轻重量、缩小尺寸、增加附加的功能，提高控制内存和液压性能等， 使e s p 的性能等级进一步提升。目前，我国主要在引进的汽车制造商车型上安装e s p ，一些 自主品牌的轿车上也开始安装制。 e s p 系统通常由控制单元及转向传感器、轮速传感器、横摆率传感器及侧向加速度传感器 等组成。控制单元e c u 通过传感器搜集的信号对车辆的运行状态进行综合判断，进而发出控制 指令。有e s p 与只有a b s 或者a s r 的汽车，它们之间的差别就在于a b s 及a s r 只能被动得做出反应， 而装有e s p 的汽车则能够探测并分析车况，自动纠正驾驶的错误做到防患于未然n 引。 e s p 的主要作用是增强车辆行驶时的操纵稳定性，减少车辆因高速行驶时出现操纵失控而 导致的侧滑危险，其典型的作用是在湿滑路面行驶或高速转弯时能为汽车提供更为有效的操 纵稳定性和转向安全控制。下图所示为汽车e s p 的控制原理框图： 图卜4 汽车e s p 控制原理框图 5 銮堕厶堂堡主堂垡迨銮 在国外，汽车电子稳定控制程序e s p 的发展已经历一段时间，自上世纪九十年代以来， 很多学者对e s p 的控制算法做了深入的研究，其研究的基本思想大多都是基于仿真+ 实验的模 式，e s p 组成中包含几个核心的部分即传统制动系统，液压调节器及电子控制单元( e c u ) ， 其任一部分的特性都会直接影响e s p 的控制效果，对于e s p 液压动态特性方面的研究，国外 学者做了大量的工作。r o b e nb o s c hg m b h 公司a n t o nt v a nz a n t e n 等人基于f a s i m 软件对其 公司研制的液压系统进行了建模仿真分析，分析了低温时液压介质对系统的影响n 引，日本的 s e u n g h a i ly o u 等人建立了液压系统的经验模型，并进行了时域分析7 1 。意大利菲亚特汽车 研究院的a n d r e af o n i n a 等人针对汽车制动部分进行了建模与试验，较为系统的分析了制动系 统中各个关键部件的响应特性，考虑了包括真空助力器，制动主缸等部件的关键特性，并结 合一些控制策略对汽车的被动及主动制动予以控制从而实现整车的稳定性控制n 8 。 国内对汽车稳定性控制系统e s p 的研究与应用起步较晚，到目前为止，只有少数高档轿 车如奥迪a 6 、帕萨特等安装了汽车稳定性控制系统，由于缺少试验条件，目前国内对e s p 的 研究还不够深入。清华大学、吉林大学、上海交通大学、东南大学、西北工业大学等高校和 上海汇众汽车制造有限公司等企业也正在开展这方面的研究工作，但大多还只是基于理论部 分的研究。 作为e s p 的核心单元e s p 液压集成块，目前，国内对其特性研究还不是太多，主要集 中在吉林大学、重庆大学以及东南大学等，限于试验条件的限制，很多高校对其研究还只局 限在模型的建立及仿真分析，即只是从理论上对其进行了分析。因此，要真正意义上的设计 出一套完备的e s p 液压集成控制单元，还有大量的工作要做。 1 4 本论文的主要研究内容及其意义 1 4 1 本论文主要研究内容 本论文的研究工作是在基于国家自然科学基金项目( 项目n 0 ：5 0 5 7 5 0 4 1 ) 和江苏省科技 攻关项目( 项目n o ：b e 2 0 0 3 0 1 3 ) 的背景下进行的。通过对典型的汽车e s p 液压集成控制单 元进行深入剖析，分析研究其内部的机理及各个部件对其整体性能的影响，通过在a m e s i m 中 对相应的机构进行建模仿真，优化其关键部件的性能参数。此外本文还比较研究了常规液压 集成控制单元中的开关阀与新型反比例阀在制动控制中的区别，并结合八自由度整车模型搭 建整车e s p 制动系统，利用模糊控制技术及m a t l a b 、a m e s i m 的联合仿真技术，对e s p 系统及 整车的稳定性进行了深入研究。这对缩短e s p 产品的开发周期、降低其研发成本具有极其重 要的意义。 本课题围绕此思路主要进行了如下方面的工作： ( 1 ) 分析并建立了相应的汽车e s p 液压制动系统模型，对经典液压集成控制单元的关键参数 进行了详细的研究，分析了其对e s p 动态液压特性的影响。 ( 2 ) 考虑相关参数对进入制动轮缸油液流量的影响，寻求建立结构参数与不同压力响应之间 的匹配关系，给出相应的优化设计参数以便进行系列化设计。 ( 3 ) 新型反比例阀的应用，模拟实现新型反比例阀在汽车e s p 液压集成控制单元中的应用， 实现更优的性能。 ( 4 ) 结合m a t l a b 搭建含横摆、侧倾的八自由度整车模型，结合经典的模糊控制算法，以横 摆角速度和质心侧偏角为控制变量来实现对汽车e s p 的模糊控制研究并对汽车的整车操 纵稳定性予以分析。 6 第一章绪论 ( 5 ) 利用m a t l a b 与a m e s i m 分别在数据处理能力及液压建模能力等方面的独到优势分别建模 并进行联合仿真，运用模糊控制技术研究了含液压制动系统模型的汽车e s p 系统。 1 4 2 本论文的主要创新点及其研究意义 1 本论文研究工作的主要创新点： ( 1 ) 基于以往对e s p 研究的着重点都是放在硬件制作，算法控制上，本论文则重点研究 e s p 的另一关键部件一液压集成控制单元，该部件是e s p 执行效果好坏的关键部件之一，对 其研究显的尤为重要。 ( 2 ) 针对目前国内外对e s p 液压集成控制单元模块本身的结构研究还不是十分深入，本 论文着重研究e s p 液压集成控制单元的结构参数，机械设计布局及影响其压力响应性能的一 些重要参数，力求寻找其最优的匹配参数，为系列化设计提供一定的理论依据。 ( 3 ) 搭建整车模型，提出将a m e s i m 与m a t l a b 两软件联合仿真，利用两软件在建模时各 自的优点，将a m e s i m 中的液压制动模块与m a t l a b 中的八自由度整车模型予以联合，集合经 典的控制算法，从而更加准确的研究汽车的横向稳定性，最终实现e s p 的理想功能。 2 本论文的主要研究意义 作为汽车主动安全控制的先驱，e s p 在现代汽车上的应用日趋广泛，相信在不久的将来， e s p 必将会作为汽车的必备装置而被普及，e s p 性能的好坏直接关系到汽车的行驶稳定性，作 为e s p 的关键执行机构之一e s p 液压控制块，对其研究显的尤为重要，关于这方面的研 究国内外已有学者涉足但是还不够成熟，当今，e s p 在国外已进入批量生产，在国内则尚处 于研究阶段，要达到产业化的程度，可能还有很长的路要走。 因此，对e s p 液压集成控制单元相关特性的深入研究对攻克e s p 优化设计技术及缩短我 国与发达国家汽车制造业的差距等具有极其重要的现实意义。 7 第二章基于a m e s i m 的汽车e s p 液压集成系统建模 第二章基于a m e s im 的汽车e s p 液压集成系统建模 2 1a m e s i m 软件介绍n 蜘 系统仿真技术从初始的机械、液压系统仿真逐渐发展到今天的可以进行机、电、液、热、 电磁等多学科系统仿真，成为了系统虚拟仿真优化设计的主流技术，这样长足的进步除了源 于计算机技术的迅猛发展外，更决定于系统仿真工具软件自身的进步。 a m e s i m 的全称是a d v a n c e dm o d e li n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o n so fe n g i n e e r i n g s y s t e m ，表示系统工程高级建模和仿真平台。它是一个基于直观的图形界面来建模的平台，是 法国i m a g i n e 公司自1 9 9 5 年推出的一种新型的高级建模与仿真软件，a m e s i m 4 2 为该公司于 2 0 0 4 年9 月推出的版本，它为系统工程设计提供了一个协同系统仿真软件环境，使得用户可 以在同一平台上建立交叉学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算与深入分析。 目前a m e s i m 已被广泛应用于车辆、航空以及重型设备工业等多学科领域，是包括机械、 流体、电磁、热分析以及控制等复杂系统建模和仿真系统的优选平台。此外a m e s i m 实现了多 学科领域的系统工程在同一平台上的建模与仿真。不同模块通过直接的物理连接方式使得它 成为了多学科系统仿真和建模的标准平台，总的来说，a m e s i m 主要具有以下一些特点： ( 1 ) a m e s i m 是专为工程技术人员而研发的软件，其建模的语言是工程技术语言，用户 不需要编写任何程序代码。仿真模型的扩充或改变都是通过图形用户界面g u i 来进行。 ( 2 ) a m e s i m 保留了四个层次的建模方式，即数学方程级、方框图级、基本元素级和元件 级。不同的用户可以根据自己的特点和专长选择适合自己的建模方式或综合使用多种方式。 ( 3 ) a m e s i m 为用户提供了齐全的分析工具从而方便用户分析并优化自己的系统，主要的 分析工具有：线性化分析工具、频谱分析工具、模态分析工具以及模型简化工具。 图2 1a m e s i m 软件的基本工作界面 此外，a m e s i m 还提供了丰富的与其他软件的接口，关于这一点，将在第五章进行详细叙 述。 图2 1 所示为a m e s i m 软件的基本工作界面，a m e s i m 共有四种工作模式，即草绘模式、 子模型模式、参数模式及运行模式。图中所示的界面是草绘模式界面，界面的左侧为建模时 所用到的一些基本零件库，e s p 模